石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

位再成，胡云崗，侯妙樂(lè)

(北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京　100044)

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石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

位再成*，胡云崗，侯妙樂(lè)

(北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京100044)

摘要：石窟寺數(shù)字化工程中獲取了大量的數(shù)據(jù)，包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型、紋理數(shù)據(jù)以及各種圖件等。針對(duì)這些數(shù)據(jù)的管理，本文提出基于文件與數(shù)據(jù)庫(kù)的混合管理方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有普適性的石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用在寶頂山大佛灣石刻數(shù)字化工程中。實(shí)踐結(jié)果表明，采用文件與數(shù)據(jù)庫(kù)混合管理方法可以有效地管理石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)，同時(shí)，系統(tǒng)的應(yīng)用能夠提高數(shù)據(jù)的查詢和使用效率。

關(guān)鍵詞：石窟寺；三維激光掃描技術(shù)；數(shù)據(jù)管理

1引言

敦煌莫高窟、云岡石窟等我國(guó)具有代表性的石窟寺具有極高的歷史、藝術(shù)和科學(xué)價(jià)值。然而受到自然以及人為因素影響，石窟寺中的壁畫(huà)、雕塑等文物不可避免地會(huì)產(chǎn)生許多病害，如風(fēng)化、霉變、開(kāi)裂等[1]。文物保護(hù)部門(mén)提出可以通過(guò)數(shù)字化的方式來(lái)更好地保護(hù)這些文物[2]。

隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)為石窟寺的數(shù)字化提供了有力的技術(shù)支撐。與傳統(tǒng)測(cè)量手段相比，三維激光掃描技術(shù)在獲取空間數(shù)據(jù)方面具有非接觸性、無(wú)損性、高精度、高效率以及全天候作業(yè)等諸多優(yōu)勢(shì)[3]。通過(guò)三維激光掃描儀獲取文物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)，構(gòu)建逼真且可量測(cè)的三維模型，這對(duì)于文物的保護(hù)、修復(fù)及研究具有重要意義。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在大足千手觀音、敦煌莫高窟、龍門(mén)石窟等許多石窟寺數(shù)字化工程中得到成功運(yùn)用[4，5，6]。

但是，三維激光掃描儀的高精度高分辨率的數(shù)據(jù)采集方式使得獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常大，再加上數(shù)據(jù)處理后生成的三維模型等數(shù)據(jù)，可以說(shuō)數(shù)字化工程的數(shù)據(jù)是海量的。如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，是目前需要解決的問(wèn)題。

2數(shù)字化工程數(shù)據(jù)管理總體思路

2.1數(shù)據(jù)內(nèi)容

石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)是海量的，數(shù)據(jù)量通常以TB甚至PB為單位。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，包括數(shù)據(jù)的來(lái)源、用戶以及重要性等方面，將數(shù)字化工程中需要管理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，如表1所示。

2.2總體思路

對(duì)于數(shù)據(jù)的管理目前通常采用文件管理方法或數(shù)據(jù)庫(kù)管理方法。文件管理方法是指將數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在磁盤(pán)中，通過(guò)維護(hù)目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)的方式來(lái)管理數(shù)據(jù)。這種方法完全依賴于文件系統(tǒng)，在管理海量數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)暴露出如數(shù)據(jù)可信度降低、數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)難以體現(xiàn)、數(shù)據(jù)查詢耗時(shí)嚴(yán)重等問(wèn)題[7]。數(shù)據(jù)庫(kù)管理方法隨著數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的不斷完善而興起，它要求數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)專業(yè)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。然而，這種方法在管理海量石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)時(shí)，尚有不少困難需要解決。首先，為了實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫(kù)中通常會(huì)加入所謂的暗盒、數(shù)據(jù)刀片等附件，如Oracle數(shù)據(jù)的Oracle Spatial接口、DB2數(shù)據(jù)庫(kù)的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊Spatial Extender等，這些附件在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，運(yùn)行效率也不高[8]。其次，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的眾多數(shù)據(jù)格式中只有.ptx、.xyz等一小部分是公開(kāi)的，可以直接存儲(chǔ)其內(nèi)部信息，而對(duì)于那些非公開(kāi)的數(shù)據(jù)格式，人們對(duì)數(shù)據(jù)的內(nèi)部信息并不可知，雖然可以通過(guò)二進(jìn)制大對(duì)象(BLOB)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，但讀寫(xiě)效率較低[9]。最后，TB級(jí)甚至PB級(jí)數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，大大延長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的響應(yīng)時(shí)間，直接降低了數(shù)據(jù)庫(kù)的性能和效率。

基于以上分析，本文在管理石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)上的總體思路是采用文件與數(shù)據(jù)庫(kù)混合管理方法，將數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)在磁盤(pán)中，提取出其元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以通過(guò)石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來(lái)管理元數(shù)據(jù)進(jìn)而達(dá)到管理磁盤(pán)中數(shù)據(jù)的目的。這種管理方法有以下優(yōu)勢(shì)：第一，各大計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)在其文件系統(tǒng)方面都運(yùn)用了大量的技術(shù)和資源，比如Windows操作系統(tǒng)的NTFS，這足可以保證數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率；第二，數(shù)據(jù)庫(kù)中只存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)庫(kù)表的容量較小，可以提高數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)效率；第三，元數(shù)據(jù)可以作為查詢數(shù)據(jù)的條件，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的可信度。

3數(shù)據(jù)目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)建立

文件與數(shù)據(jù)庫(kù)混合管理方法需要解決的主要問(wèn)題是文件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的一致性問(wèn)題，也就是數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)與磁盤(pán)中的文件是否能夠相互匹配。針對(duì)這一問(wèn)題，本文首先通過(guò)對(duì)元數(shù)據(jù)的分析，將數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，然后建立起適合于存儲(chǔ)石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)的目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)，最后將這一目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)表，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)。

3.1元數(shù)據(jù)

元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是對(duì)石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)的描述。通用的元數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)名、數(shù)據(jù)位置、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式等，對(duì)于表1中每一類數(shù)據(jù)，除了通用元數(shù)據(jù)，它們還有各自的元數(shù)據(jù)。表2和表3分別列出原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的部分元數(shù)據(jù)。

3.2目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)

在對(duì)計(jì)算機(jī)中的文件進(jìn)行分類時(shí)，人們通常根據(jù)描述文件的某個(gè)重要字段將文件有序地組織起來(lái)。在組織石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)時(shí)，也可以借鑒這種方法。通過(guò)對(duì)每類數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇出了每類數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)中一個(gè)比較重要的字段，如表4所示。表中的時(shí)間是指原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，文物是指數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的文物名稱。

根據(jù)數(shù)據(jù)的組織結(jié)果，可以建立如圖1所示的目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)。

3.3目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)表

為了保證文件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的一致性，需要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)控制目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)，因此，圖1所示的目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)化為表5所示的數(shù)據(jù)表，假設(shè)數(shù)據(jù)采集n天，對(duì)應(yīng)文物有m個(gè)。

4數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

4.1概念模型設(shè)計(jì)

概念模型的用途是建立信息世界的模型，它是現(xiàn)實(shí)世界到信息世界的第一次概括，也是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)者與用戶之間溝通的語(yǔ)言[10]。實(shí)體-聯(lián)系方法(Entity-Relationship Approach)是概念模型眾多表示方法中較為常用的一種，它通過(guò)E-R圖來(lái)描述，把現(xiàn)實(shí)世界的信息結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為實(shí)體、實(shí)體間聯(lián)系以及它們的屬性[11]。如圖2所示。

4.2邏輯模型設(shè)計(jì)

邏輯模型直接面向數(shù)據(jù)庫(kù)，是現(xiàn)實(shí)世界的第二層次概括。關(guān)系模型是邏輯模型中的一種，它的建立是根據(jù)關(guān)系代數(shù)、笛卡爾積等一系列嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念[10]。通過(guò)E-R圖可以轉(zhuǎn)化為關(guān)系模型圖，如圖3所示。

圖2E-R圖

5系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)完成的數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)了石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并應(yīng)用于寶頂山大佛灣石刻數(shù)字化工程中。

5.1開(kāi)發(fā)環(huán)境與工具

系統(tǒng)為Windows應(yīng)用程序，能夠在操作系統(tǒng)為Windows XP及以上版本的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境如表6所示。

5.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包含四個(gè)功能模塊，分別是用戶管理模塊、工程管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及數(shù)據(jù)查詢模塊。

(1)用戶管理模塊的作用是管理允許登錄到系統(tǒng)中的所有用戶的信息，主要功能包括添加用戶、刪除用戶等。出于對(duì)系統(tǒng)安全性的考慮，將系統(tǒng)中的敏感信息進(jìn)行了DES加密，如用戶密碼等。

(2)工程管理模塊的主要功能是工程新建和工程維護(hù)。工程新建功能允許用戶根據(jù)數(shù)字化工程的具體情況來(lái)建立目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)庫(kù)，工程維護(hù)功能可以使用戶對(duì)已經(jīng)存在的目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改或刪除。

(3)數(shù)據(jù)管理模塊是系統(tǒng)的核心模塊，提供元數(shù)據(jù)的錄入、修改和刪除功能。

(4)數(shù)據(jù)查詢模塊是系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)模塊，主要提供數(shù)據(jù)查詢功能，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中元數(shù)據(jù)的查詢，可以精確找到磁盤(pán)中對(duì)應(yīng)的源數(shù)據(jù)。

5.3應(yīng)用于寶頂山大佛灣石刻數(shù)字化工程

寶頂山大佛灣石刻，位于重慶市大足區(qū)龍崗街道東北 15 km處，始鑿于南宋。在其數(shù)字化工程中，僅原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的文件總數(shù)就多達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)，數(shù)據(jù)量約 2.2 TB。采用文件管理方法或數(shù)據(jù)庫(kù)管理方法都難以進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。在應(yīng)用本系統(tǒng)之后，根據(jù)寶頂山大佛灣石刻數(shù)字化工程的具體情況，通過(guò)工程新建功能建立了寶頂山大佛灣石刻數(shù)字化工程數(shù)據(jù)目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)庫(kù)，有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織。在查詢數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的元數(shù)據(jù)可以提供豐富的查詢條件(如圖4所示)，提高了數(shù)據(jù)的查詢效率。

6結(jié)語(yǔ)

針對(duì)石窟寺數(shù)字化工程中的數(shù)據(jù)管理，在對(duì)數(shù)字化工程數(shù)據(jù)總結(jié)歸納后，通過(guò)分析數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)狀，提出采用文件與數(shù)據(jù)庫(kù)混合管理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，主要成果如下：

(1)總結(jié)了數(shù)字化工程數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，建立了適合于存儲(chǔ)石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)的目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)；

(2)對(duì)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系進(jìn)行整理，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型和邏輯模型；

(3)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用圖形化的形式給用戶提供了直觀的操作界面。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成之后，在寶頂山大佛灣石刻數(shù)字化工程中得到了初步應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明采用文件與數(shù)據(jù)庫(kù)混合管理方法能夠使數(shù)字化工程數(shù)據(jù)得到有效管理，石窟寺數(shù)字化工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的使用可以在一定程度上提高數(shù)據(jù)查詢和使用效率。

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Design and Implementation of the Management System for the Digital Engineering Data of the Cave Temple

Wei Zaicheng，Hu Yungang，Hou Miaole

(School of Geomatics and Urban Information，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China)

Key words：cultural relics of the cave temple；3D laser scanning technology；data management

Abstract：A large number of data are obtained in the digital engineering of the cave temple， including point clouds data， 3D models， texture data and all kinds of maps， etc. Aiming at the management of these data， a hybrid management mode based on file and database is proposed， and a widely applicable management system for the digital engineering data of the cave temple is designed and further realized. This system has been applied in the BaoDing FoWan stone carving digital engineering. The practice results show that， the digital engineering data of the cave temple can be managed effectively by using the hybrid management mode of file and database， at the same time， the application of the system can improve the query and use of the data efficiently.

文章編號(hào)：1672-8262(2016)03-15-05

中圖分類號(hào)：P208.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

*收稿日期：2016—02—01

作者簡(jiǎn)介：位再成(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲幕z產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)。 通訊作者：胡云崗(1975—)，男，博士，副教授，主要從事基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)處理與更新及測(cè)繪科學(xué)技術(shù)在文物保護(hù)與考古方面的應(yīng)用與研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB725300)